これまで理論的にしか認識されていなかった物質の新しい相が発見された。
我々の3次元世界では、ボース粒子とフェルミ粒子の2種類の粒子しか存在しない。ボース粒子は光と力の粒子で、有名なヒッグス粒子のように他の粒子に質量を与える。フェルミ粒子は陽子、中性子、電子などの物質粒子で、私たちが見たり触ったりするものすべてを構成している。
ではこれは2次元世界でも当てはまるのだろうか？物質の基本構成要素は、そのような平坦な世界でどのように振る舞うのだろうか？この疑問が、ハーバード大学の理論物理学者、Ashvin Vishwanath氏の研究の原動力となっている。
2次元の世界ではボース粒子でもフェルミ粒子でもない、その中間の粒子のような存在非アーベル型エニオンが存在する事が理論的に予言されていた。これを制御することで、研究者らは現在、非アーベル的トポロジカル秩序と呼ぶ、まったく新しい物質の相を作り出すことができた事を報告している。
非アーベル型エニオンによる量子コンピュータへの期待
非アーベル型エニオンとは粒子ではなく、準粒子として同定され、水面の波紋のような、物質の特定の状態の中で一定期間持続する励起の粒子的な現れであることを意味する、物質の特別な相の集団励起である。非アーベル型エニオンは2次元平面上にのみ存在し、3次元では不可能な方法で互いに動き回ることができる。
非アーベル型エニオンは、が特別なのは、一種の記憶を持っていることだ。場所が入れ替わると、以前の位置と向きを記憶し、それが将来の行動に影響を与えるような性質を持っている。
この記憶力によって、非アーベル型エニオンもトポロジカルになる。引き伸ばしたり、ねじったり、曲げたりしても、アイデンティティーや情報を失うことはないのだ。
これらの特性により、非アーベル型エニオンは、量子コンピューティングをはじめとする様々な技術的応用が期待されている。
量子コンピューティングでは、量子ビット（qubits）を用いる。量子ビットは、古典的なビットよりもはるかに強力な方法で情報を保存し、処理することができる。しかし、量子ビットは壊れやすく、エラーが発生しやすいため、その実用的な利用は制限されている。
一方、非アーベル型エニオンは、信頼性に欠けることもある量子ビットとは異なり、非アベリアンアニオンは、環境の影響を受けずに互いに動き回りながら情報を保存することができる、堅牢な量子ビットとして利用できる。これにより、量子コンピューティングの可能性を最大限に引き出し、古典的なコンピューターでは不可能な問題を解決することができる。
「安定した量子コンピューティングへの一つの有望なルートは、この種のエキゾチックな物質の状態を有効量子ビットとして使い、それを使って量子計算を行うことです」と、現在カリフォルニア工科大学の元ハーバード大生で、この研究に参加したNat Tantivasadakarn氏は言う。
非アーベル型エニオンが初めて作られる
非アーベル型エニオンは、理論的には何十年も前から予言されていたが、実験室ではこれまで観測されたこともなければ、作られたこともなかった。
量子コンピューティング企業Quantinuumの研究者と共同で、Vishwanath氏と彼のチームは、非アーベル型エニオンを初めて作り出し、制御するというブレークスルーを達成した。この成果は『Nature』誌に掲載される。
研究チームはQuantinuumの最新のイオントラップ型量子プロセッサー「H2」を用いて、物質の量子状態を操作できる強力な装置を使用した。
Vishwanathと彼のチームは、QuantinuumのH2プロセッサーに適応回路を採用し、プロセッサーをその限界まで駆動させることに成功した。
捕捉された27個のイオンから始め、量子システム内で複雑さが増す順序に従うように設計された一連の部分測定を採用し、その結果、非アーベル型トポロジカル秩序という望ましい状態が得られるまで、系の量子状態を形成した。
研究チームは、非アーベル型エニオンの合成と制御を実証し、その特性と挙動を検証した。また、量子コンピューティングの応用に不可欠な、より大きなサイズへのスケールアップが可能であることも示した。
「この研究により、非アベリオンの直感に反する性質が明らかになり、量子デバイスでの研究が可能になります」と、研究チームは結論づけている。
「これは量子物理学と量子工学における驚くべき成果です。我々は、物質の新しい相を実現しただけでなく、量子コンピューティングの可能性を実証したのです」と、Vishwanath氏は述べている。
理論家出身のVishwanath氏は、自分のアイデアが実験で実現したことに感激していると語った。また、物質とエネルギーの性質を最小のスケールで記述する物理学の一分野である量子力学の100周年を祝うことに興奮していると語った。
「私たちは量子科学技術の黄金時代を生きています。まだまだ発見や探求すべきことがたくさんあるのです」。
論文
参考文献
- Harvard Gazette: Harvard physicists make a new phase of matter
研究の要旨
非アーベル型トポロジカル秩序は、準粒子が交換された順序を記憶することができるなど、注目すべき性質を持つ物質状態である。これらのエニオン励起は、フォールト・トレラントな量子コンピューターの有望な構成要素である。しかしながら、非アーベル型トポロジカル秩序とその励起は、アーベル型トポロジカル秩序におけるより単純な準粒子や欠陥とは異なり、広範な努力にもかかわらず、とらえどころのないままであった。ここでは、量子プロセッサーに用意された波動関数において、非アーベル型トポロジカル秩序を実現し、そのエニオン制御を実証する。QuantinuumのH2イオントラップ型量子プロセッサーの適応回路を用いて、27量子ビットのカゴメ格子上にD4トポロジカル秩序の基底状態波動関数を作成し、サイトあたりの忠実度は98.4%を超えた。時空間においてボロメアン環にそってエニオンを生成し移動させることで、エニオン干渉計は本質的に非アベリアンな編組過程を検出する。さらに、非アーベルをトーラスの周囲にトンネル移動させると、22の基底状態すべてと、非アーベル的トポロジカル秩序の特異な特徴である1つのエニオンによる励起状態が生成される。この研究は、非アーベルの直感に反する性質を説明し、量子デバイスでの研究を可能にする。
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